[논문 리뷰] Decays $Z' o \gamma \gamma \gamma$ and $Z o \gamma \gamma \gamma$ in the minimal 331 model

J. Montaño, M. A. Pérez외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 재규격화 가능한 확장인 $ ext{SU(3)}_L \times \text{U(1)}_X$ 게이지 군을 가진 최소 331 모형 내에서 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 및 $Z \to \gamma\gamma\gamma$의 희귀 붕괴 과정을 조사한다. 기괴한 쿼크와 게이지 보손을 포함한 1차 순환 계산을 통해 $Z'$의 세 개의 광자로의 붕괴 분획은 약 $\sim 10^{-6}$에 도달하며, 이는 표준모형의 $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 붕괴보다 약 1,000배 큰 것으로 나타나, 새로운 물리학의 잠재적 LHC 신호를 강조한다.

ABSTRACT

The possibility of a significant effect of exotic particles on the Z'->\gamma\gamma\gamma{} and Z->\gamma\gamma\gamma{} decays is investigated in the context of the minimal 331 model. This model, which is based in the SU_C(3)xSU_L(3)xU_X(1) gauge group, predicts the existence of many exotic charged particles that can significantly enhance the decay widths. It is found that the standard model prediction for the Z->\gamma\gamma\gamma{} decay remains essentially unchanged, as the new physics effects quickly decouples. On the other hand, it is found that the contributions of the new exotic quarks and gauge bosons predicted by this model lead to a branching fraction for the Z'->\gamma\gamma\gamma{} decay of about 10^(-6), which is about three orders of magnitude larger than that of the Z->\gamma\gamma\gamma{} decay.

연구 동기 및 목표

• 최소 331 모형이 예측하는 기괴한 입자가 희귀 붕괴 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$와 그 표준모형 대응 붕괴 $Z \to \gamma\gamma\gamma$에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 기괴한 쿼크와 게이지 보손에서 비롯하는 새로운 물리학 기여가 표준모형에 비해 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 붕괴 폭을 크게 증가시키는지 평가하기 위해.
• 대형 하드론 충돌기(LHC)에서 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 붕괴가 증가된 분획으로 인해 관측 가능할 수 있는지 물리학적 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 최소 331 모형에서 $V^0 \to \gamma\gamma\gamma$ ($V^0 = Z, Z'$)의 붕괴 진폭을 계산하기 위해 1차 순환 파인먼 도형 계산을 사용한다.
• 가상의 기괴한 입자인 양성자 및 이중 양성자 게이지 보손($Y^\pm, Y^{\pm\pm}$), 기괴한 쿼크, 그리고 양성자 힉스 보손의 기여를 포함한다.
• 루프 적분을 해석적으로 평가하기 위해 파사리노-벨트만 스칼라 및 텐서 함수($B_0, C_0, D_0$)를 사용한다.
• 모델의 게이지 구조는 $\text{SU(3)}_C \times \text{SU(3)}_L \times \text{U(1)}_X$이며, 테바 스케일에서 대칭의 자동 깨짐을 가정한다.
• 분석은 $Z'$ 질량이 테바 스케일 근처에 있다고 가정하며, 대칭을 깨는 데 하나의 트리플렛과 하나의 세트렛을 포함하는 최소 331 힉스 섹터를 사용한다.
• 부분 붕괴 폭 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$를 총 $Z'$ 붕괴 폭과 비교하여 분획을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 331 모형은 표준모형 예측에 비해 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 붕괴 폭을 크게 증가시키는가?
• RQ2 기괴한 쿼크와 양성자 게이지 보손이 1차 순환 수준에서 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 붕괴를 매개하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 동일한 모형 내에서 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$의 분획은 $Z \to \gamma\gamma\gamma$와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 붕괴가 증가된 비율으로 인해 LHC에서 검출 가능한 신호가 될 수 있는가?
• RQ5 331 모형의 새로운 물리학 기여는 고에너지에서 디커플링되는가, 아니면 테바 스케일에서 여전히 관련성이 있는가?

주요 결과

• 최소 331 모형에서 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$의 분획은 약 $10^{-6}$로 추정되며, 이는 표준모형에서의 $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 예측보다 약 세 개의 자리수 큰 것으로 나타났다.
• 표준모형에서의 $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 붕괴 폭는 331 모형 내에서도 본질적으로 변화하지 않으며, 새로운 물리학 효과가 에너지 스케일이 증가함에 따라 빠르게 디커플링되기 때문이다.
• 기괴한 쿼크와 양성자 게이지 보손($Y^\pm, Y^{\pm\pm}$)이 1차 순환 수준에서 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 붕괴 진폭의 주요 기여자로 나타났다.
• 양성자 힉스 보손의 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 붕괴에 대한 기여는 페르미온과 벡터 보손 기여에 비해 무시할 만큼 작다.
• 비표준 양자수를 가진 기하학적 입자 수가 많기 때문에, 모형은 $Z'$의 세 개의 광자로의 붕괴 폭을 크게 증가시킨다.
• $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 붕괴는 표준모형 대비 증가된 분획으로 인해 LHC에서 관측 가능한 잠재적 신호로 식별되었다.